FR3124035A1 - Small size motor - Google Patents
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Abstract
L’invention présente un moteur électrique triphasé, formé par une partie statorique excitée par trois bobines électriques et par un rotor aimanté, la partie statorique présentant des dents s'étendant radialement, caractérisé en ce que, la partie statorique comporte : - trois dents bobinées (1 à 3) consécutives, portant chacune une bobine, dans un premier secteur angulaire - une à trois dents complémentaires non bobinées, dans un second secteur angulaire complémentaire dudit premier secteur angulaire, lesdites dents non bobinées étant configurées pour ajuster à une valeur de référence prédéterminée le couple sans courant desdites trois dents bobinées. Figure 1The invention presents a three-phase electric motor, formed by a stator part excited by three electric coils and by a magnetized rotor, the stator part having teeth extending radially, characterized in that, the stator part comprises: - three wound teeth (1 to 3) consecutive, each carrying a coil, in a first angular sector - one to three complementary unwound teeth, in a second angular sector complementary to said first angular sector, said unwound teeth being configured to adjust to a reference value predetermined torque without current of said three wound teeth. Figure 1
Description
Domaine de l’inventionField of invention
La présente invention concerne un moteur électrique triphasé, de faible encombrement et de masse réduite, destiné notamment à entraîner un réducteur à plusieurs étages logés dans un boîtier où la partie statorique s’intègre d’une façon permettant une bonne organisation des autres composants (roues dentées, circuit électronique…).The present invention relates to a three-phase electric motor, of small size and reduced mass, intended in particular to drive a reduction gear with several stages housed in a casing where the stator part is integrated in a way allowing good organization of the other components (wheels gears, electronic circuit, etc.).
Etat de la techniqueState of the art
On connaît dans l’état de la technique le brevet EP2171831B1 de la demanderesse décrivant une solution connue de moteur électrique triphasé présentant une partie statorique excitée par des bobines électriques et par un rotor présentant N paires de pôles aimantés radialement en sens alternés.Known in the state of the art is the applicant's patent EP2171831B1 describing a known solution for a three-phase electric motor having a stator part excited by electric coils and by a rotor having N pairs of radially magnetized poles in alternate directions.
La partie statorique présente deux secteurs angulaires alpha-1, et alpha-2, de rayons respectifs R1 et R2 avec R1 différent de R2, comportant des dents larges et des dents étroites respectivement s'étendant radialement depuis une couronne annulaire. Les dents larges présentent une largeur supérieure ou égale au double de la largeur des dents étroites, en ce que la largeur d'encoche est supérieure à la largeur d'une dent étroite. Le secteur angulaire alpha-1 est inférieur à 220° et comporte au moins trois bobinages.The stator part has two angular sectors alpha-1, and alpha-2, of respective radii R1 and R2 with R1 different from R2, comprising wide teeth and narrow teeth respectively extending radially from an annular crown. The wide teeth have a width greater than or equal to twice the width of the narrow teeth, in that the notch width is greater than the width of a narrow tooth. The angular sector alpha-1 is less than 220° and comprises at least three windings.
On connaît aussi le brevet EP3326263 décrivant une autre solution de motoréducteur constitué par un boitier comprenant un moteur sans balai présentant au moins deux phases électriques, un rotor tournant autour d'un axe, et composé d'un ensemble statorique présentant au moins deux pôles portant chacun des bobines dont les axes de bobinage sont espacés d'un angle mécanique inférieur à 180° et s'étendent radialement.We also know the patent EP3326263 describing another geared motor solution consisting of a box comprising a brushless motor having at least two electrical phases, a rotor rotating around an axis, and composed of a stator assembly having at least two poles carrying each of the coils whose winding axes are spaced apart by a mechanical angle of less than 180° and extend radially.
Le brevet FR3096195 décrit une autre solution encore de motoréducteur comportant un train d’engrenages réducteur et un moteur électrique triphasé comprenant un stator formé d’un empilement de tôles et de 3*k bobines électriques et un rotor présentant k*N paires de pôles aimantés, avec k = 1 ou 2, le stator présentant deux secteurs angulaires alpha 1 et alpha 2 distincts, centrés sur le centre de rotation dudit moteur et comportant une alternance d’encoches et de 3*k*N dents régulièrement espacées convergeant vers le centre de rotation et définissant une cavité dans laquelle est placé ledit rotor, caractérisé en ce que N = 4 et en ce que alpha 1 est inférieur ou égal à 180° et comporte l’ensemble desdites bobines dudit moteur.Patent FR3096195 describes yet another geared motor solution comprising a reduction gear train and a three-phase electric motor comprising a stator formed from a stack of sheets and 3*k electric coils and a rotor having k*N pairs of magnetic poles , with k = 1 or 2, the stator having two distinct angular sectors alpha 1 and alpha 2, centered on the center of rotation of said motor and comprising alternating notches and 3*k*N regularly spaced teeth converging towards the center of rotation and defining a cavity in which said rotor is placed, characterized in that N=4 and in that alpha 1 is less than or equal to 180° and includes all of said coils of said motor.
Inconvénients de l’art antérieurDisadvantages of the Prior Art
Les solutions de l’art antérieur sont satisfaisantes pour des applications où on dispose d’une place suffisante pour loger le moteur. Toutefois, il n’est pas possible de réduire les dimensions homothétiquement. En effet, certaines dimensions sont contraintes par des paramètres tels que l’énergie électrique appliquée aux bobines, qui ne permettent pas de réduire le volume de cuivre, et donc la section des fils de bobinage ou l’encombrement des bobines en-dessous d’une limite. Aussi, les dimensions de certains éléments, tels que les corps de bobines et les éléments de connections électriques ne peuvent être réduites proportionnellement à la taille du moteur, le volume disponible pour les fils conducteurs des bobines est donc proportionnellement réduit. Les performances desdits moteurs sont en conséquence dégradées.The solutions of the prior art are satisfactory for applications where there is sufficient space to accommodate the motor. However, it is not possible to reduce the dimensions homothetically. Indeed, certain dimensions are constrained by parameters such as the electrical energy applied to the coils, which do not make it possible to reduce the volume of copper, and therefore the section of the winding wires or the size of the coils below a limit. Also, the dimensions of certain elements, such as the coil bodies and the electrical connection elements cannot be reduced proportionally to the size of the motor, the volume available for the conducting wires of the coils is therefore proportionally reduced. The performance of said motors is consequently degraded.
Les solutions de l’art antérieur se heurte de ce fait à des limites de miniaturisation pour une puissance fixée.The solutions of the prior art therefore come up against miniaturization limits for a fixed power.
Solution apportée par l’inventionSolution provided by the invention
L’objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient et concerne selon son acception la plus générale un moteur électrique triphasé, formé par une partie statorique excitée par trois bobines électriques et par un rotor aimanté, la partie statorique présentant des dents s'étendant radialement caractérisé en ce que, la partie statorique comporte :
- trois dents bobinées consécutives, portant chacune une bobine, dans un premier secteur angulaire
- une à trois dents complémentaires non bobinées, dans un second secteur angulaire complémentaire dudit premier secteur angulaire, lesdites dents non bobinées étant configurées pour ajuster à une valeur de référence prédéterminée le couple sans courant desdites trois dents bobinées.The object of the present invention is to remedy this drawback and relates, in its most general sense, to a three-phase electric motor, formed by a stator part excited by three electric coils and by a magnetized rotor, the stator part having teeth extending radially characterized in that the stator part comprises:
- three consecutive coiled teeth, each carrying a coil, in a first angular sector
- one to three complementary non-coiled teeth, in a second angular sector complementary to said first angular sector, said non-coiled teeth being configured to adjust to a predetermined reference value the torque without current of said three coiled teeth.
Avantageusement, l’écart angulaire entre deux dents bobinées consécutives est de 60°.Advantageously, the angular difference between two consecutive wound teeth is 60°.
Selon un premier mode de réalisation, le stator comporte six dents, avec trois dents non bobinées avec un écart de 60°, diamétralement opposées auxdites dent bobinée.According to a first embodiment, the stator comprises six teeth, with three non-coiled teeth with a gap of 60°, diametrically opposed to said coiled tooth.
Selon un deuxième mode de réalisation, le stator comporte cinq dents, avec une dent non bobinée de part et d’autre dudit premier secteur angulaire, avec un écart de 60° entre la dent non bobinée et la dent bobinée consécutive.According to a second embodiment, the stator comprises five teeth, with an unwound tooth on either side of said first angular sector, with a gap of 60° between the unwound tooth and the consecutive wound tooth.
Selon un troisième mode de réalisation, le stator comporte quatre dents, avec une dent non bobinée diamétralement opposée à la dent bobinée centrale.According to a third embodiment, the stator has four teeth, with an unwound tooth diametrically opposed to the central wound tooth.
Selon une variante, la longueur des bobines mesurée radialement et inférieure au diamètre du rotor, pour faciliter l’insertion.Alternatively, the length of the coils measured radially and less than the diameter of the rotor, to facilitate insertion.
Selon une autre variante, le stator est réalisé en deux parties pour pouvoir insérer des bobines longues.
Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation According to another variant, the stator is made in two parts in order to be able to insert long coils.
Detailed description of a non-limiting embodiment
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où :
Principe généralGeneral principle
La présente invention a donc pour but de proposer un moteur, destiné notamment à équiper un moto-réducteur, qui soit économique et robuste, adapté aux grandes séries, et comportant pour cela un moteur électrique polyphasé permettant une intégration facile avec un réducteur ou un système de transformation de mouvement, en respectant toutes les contraintes posées en termes de dimensions extérieures et de masse.The object of the present invention is therefore to propose a motor, intended in particular to equip a geared motor, which is economical and robust, suitable for large series, and comprising for this purpose a polyphase electric motor allowing easy integration with a reduction gear or a system. transformation of movement, respecting all the constraints posed in terms of external dimensions and mass.
Pour des structures de petite dimension, l’espace entre les dents est insuffisant avec les architectures statoriques de l’art antérieur et ne permet pas de loger suffisamment de cuivre dans les encoches. En effet, les corps de bobines présentent une largeur non négligeable par rapport à la dimension du moteur et comme ils ne peuvent pas être réduits pour des raisons de moulabilité et de résistance diélectrique à garantir entre les bobines et les tôles statoriques, il faut augmenter la place disponible pour le cuivre. Le passage à un nombre moindre de dents proposé par l’invention permet d’augmenter le volume de cuivre disponible. Le corps de bobine restant de volume constant, le ratio volume de cuivre sur volume du corps de bobine est donc favorablement impacté. La solution objet de l’invention consiste à choisir une structure de trois dents bobinées consécutives, auxquelles on ajoute une à trois dents non bobinées, soit au total 4 à 6 dents en combinaison avec un rotor à 4 paires de pôles, les dents étant réparties à 60° ou 120° les unes des autres. Le facteur de bobinage de cette structure 6 dents 4 paires de pôles étant magnétiquement défavorable en comparaison des structures précédemment citées à 12 dents 5 paires de pôles, l’homme de métier ne la choisira pas naturellement sauf si la contrainte d’encombrement est suffisamment forteFor small structures, the space between the teeth is insufficient with the stator architectures of the prior art and does not allow enough copper to be housed in the slots. Indeed, the coil bodies have a non-negligible width compared to the size of the motor and since they cannot be reduced for reasons of moldability and dielectric strength to be guaranteed between the coils and the stator laminations, it is necessary to increase the space available for copper. The change to a lower number of teeth proposed by the invention makes it possible to increase the volume of copper available. Since the coil body remains of constant volume, the ratio of copper volume to volume of the coil body is therefore favorably impacted. The solution that is the subject of the invention consists in choosing a structure of three consecutive wound teeth, to which one to three unwound teeth are added, i.e. a total of 4 to 6 teeth in combination with a rotor with 4 pairs of poles, the teeth being distributed at 60° or 120° from each other. The winding factor of this 6-tooth, 4-pole-pair structure being magnetically unfavorable in comparison with the previously mentioned 12-tooth, 5-pole-pair structures, the person skilled in the art will not naturally choose it unless the bulk constraint is strong enough.
Le moteur est alimenté avec 3 bobines seulement (sur un maximum de 6 qu'il pourrait porter) car ceci permet de réduire le volume total de corps de bobine, et donc maximise celui de cuivre, et simplifie grandement les connexions électriques.The motor is powered with only 3 coils (out of a maximum of 6 that it could carry) because this reduces the total volume of the coil body, and therefore maximizes the copper one, and greatly simplifies the electrical connections.
La solution magnétique associant un stator présentant des dents bobinées séparées mécaniquement de 60° et un rotor présentant 4 paires de pôles n’est pas triviale car cette configuration présente un couple sans courant de faible rang harmonique et donc d’amplitude importante. L’invention se propose de résoudre ce problème en choisissant des largeurs angulaires de dents spécifiques.The magnetic solution combining a stator with wound teeth mechanically separated by 60° and a rotor with 4 pairs of poles is not trivial because this configuration presents a torque without current of low harmonic order and therefore of high amplitude. The invention proposes to solve this problem by choosing specific angular tooth widths.
La structure statorique est asymétrique, l'ensemble des bobines étant distribuée sur 3 dents situées dans un même secteur angulaire inférieur à 180°. Le secteur angulaire complémentaire présente une, deux ou trois dents nues, c’est-à-dire dépourvues de bobines, de manière à contrebalancer les efforts magnétiques.The stator structure is asymmetrical, all the coils being distributed over 3 teeth located in the same angular sector less than 180°. The complementary angular sector has one, two or three bare teeth, i.e. without coils, so as to counterbalance the magnetic forces.
L’augmentation de la longueur des dents non bobinées n’ayant aucune incidence bénéfique sur les performances de la machine à partir d’une certaine longueur, il est possible de les choisir plus courtes que les dents bobinées, ceci conduisant à pouvoir inscrire le secteur angulaire complémentaire, contenant les dents non bobinées, dans une empreinte circulaire de rayon R2 plus court que R1, celui de l’empreinte circulaire inscrivant le secteur angulaire contenant les dents bobinées.The increase in the length of the unwound teeth having no beneficial impact on the performance of the machine from a certain length, it is possible to choose them shorter than the wound teeth, this leading to being able to register the sector complementary angle, containing the non-coiled teeth, in a circular cavity of radius R2 shorter than R1, that of the circular cavity inscribing the angular sector containing the coiled teeth.
Premier exemple de réalisationFirst example of realization
Les figures 1 à 4 correspondent à un premier mode de réalisation d’une variante à six dents (1 à 6). Trois dents consécutives (1 à 3) sont bobinées, avec des bobines respectivement (11 à 13) supportées par un noyau isolant (21 à 23), formant un angle de 60° entre elles, complété par trois dents (4 à 6) plus courtes et non bobinées.Figures 1 to 4 correspond to a first embodiment of a variant with six teeth (1 to 6). Three consecutive teeth (1 to 3) are wound, with coils respectively (11 to 13) supported by an insulating core (21 to 23), forming an angle of 60° between them, completed by three teeth (4 to 6) more short and uncoiled.
Les dents s’étendent radialement par rapport à une zone périphérique annulaire (10).The teeth extend radially with respect to an annular peripheral zone (10).
Le stator (30) est formé de manière connue par un empilement de tôles (20) découpées dans une feuille de métal ferromagnétique. Les bobines (11 à 13) sont montées sur un noyau (21 à 23) présentant des contacts (31 à 33 ; 41 à 43) de type « pressfit » permettant la liaison avec un circuit imprimé.
Détermination des caractéristiques des dents non bobinées The stator (30) is formed in known manner by a stack of laminations (20) cut from a sheet of ferromagnetic metal. The coils (11 to 13) are mounted on a core (21 to 23) having contacts (31 to 33; 41 to 43) of the “pressfit” type allowing connection with a printed circuit.
Determination of the characteristics of uncoiled teeth
La largeur angulaire,
Les figures 6a, 6b, 6c représentent les variations de couple dues à l’harmonique 3 d’aimantation, perçues par une dent bobinée et une dent non bobinée en fonction de l’angle mécanique et représentées pour une période électrique et pour un ratio entre les largeurs angulaires des dents bobinées
Deuxième exemple de réalisationSecond example of realization
La
Contrairement au cas à 6 dents régulièrement réparties, une structure à 5 dents réparties à des angles mécaniques multiples de 60° (0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°) mécanique, ne présente pas un minimum de couple sans courant lorsque les dents présentant une extrémité frontale d’épanouissement angulaire identique. Néanmoins l’invention propose de résoudre ce problème en choisissant une largeur angulaire,
Les figures 8a, 8b, 8c représentent les variations de couple dues à l’harmonique 3 d’aimantation, perçues par une dent bobinée et une dent non bobinée en fonction de l’angle mécanique et représentées pour une période électrique et pour un ratio entre les largeurs angulaires des dents bobinées
Une dernière alternative, non représentée, est de compenser le couple sans courant à l’aide d’une seule dent non bobinée située dans le secteur angulaire complémentaire.A final alternative, not shown, is to compensate the torque without current using a single unwound tooth located in the complementary angular sector.
Les figures 6a, 6b, 6c d’une part et 8a 8b, 8c d’autre part illustrent la compensation parfaite du couple sans courant
Enfin la répartition de dents non bobinées, d’épanouissement angulaire identique, à des angles multiples de 60° (soit 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°) ne permet encor une fois que d’optimiser le couple sans courant
Stator assembléAssembled stator
Selon une variante de réalisation présentée en
Variantes de rotorsRotor variants
L’invention ne se limite pas à un rotor de type bague de 4 paires de pôles, tel que présenté dans la
Variante de stator à bec de dentsVariant of tooth beak stator
Selon une variante de réalisation présentée en
Utilisation dans un motoréducteurUse in a geared motor
L’invention suivant toutes ses variantes présente un intérêt pour son intégration dans un motoréducteur. Les figures 12, 13 et 14 illustrent différentes configurations de couplage du rotor avec le premier module d’un train de réduction. Le rotor (50) est solidaire d’un pignon (51) qui engrène sur la rue dentée d’un premier module (52) de réduction de mouvement. Ce premier module est supporté par un axe (53) dont la disposition est limitée par l’encombrement du circuit magnétique. La
Claims (7)
- trois dents bobinées (1 à 3) consécutives, portant chacune une bobine (11 à 13), dans un premier secteur angulaire
- une à trois dents complémentaires (4 à 6) non bobinées, dans un second secteur angulaire complémentaire dudit premier secteur angulaire, lesdites dents non bobinées (4 à 6) étant configurées pour ajuster à une valeur de référence prédéterminée le couple sans courant desdites trois dents bobinées.Three-phase electric motor, formed by a stator part excited by three electric coils (11 to 13) and by a magnetized rotor (50), the stator part having teeth (1 to 6) extending radially, characterized in that, the stator part comprises:
- three consecutive coiled teeth (1 to 3), each carrying a coil (11 to 13), in a first angular sector
- one to three complementary non-coiled teeth (4 to 6), in a second angular sector complementary to said first angular sector, said non-coiled teeth (4 to 6) being configured to adjust to a predetermined reference value the torque without current of said three coiled teeth.
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